أشباه الموصلات – نطاقات الطاقة والتطعيم والوصلة p–n

ماذا تعرض

في المادة الصلبة لا يمكن للإلكترونات أن تمتلك إلا طاقات داخل نطاقات مسموح بها. في الفلز تتداخل النطاقات، لذلك توجد دائمًا إلكترونات حرة كثيرة. وفي السيليكون تفصل فجوة طاقة مقدارها 1.12 eV نطاق التكافؤ الممتلئ عن نطاق التوصيل الفارغ؛ ترفع الحرارة بعض الإلكترونات عبرها وتترك ثقوبًا، فتزداد الموصلية بسرعة مع درجة الحرارة. يمنح الفوسفور إلكترونات (النوع n)، ويترك البورون ثقوبًا (النوع p)، ويبقى ⁦n·p⁩ مساويًا لـ ⁦nᵢ²⁩. وعند وصل p مع n تتكوّن طبقة نضوب بجهد حاجز يقارب 0.7 V. يفترض النموذج أن كل ذرات الشوائب متأينة.

طريقة الاستخدام

في «نطاقات الطاقة» حرّك «درجة الحرارة T» وقارن النحاس والسيليكون والماس ومنحنى الموصلية. في «التطعيم» اختر «الشائبة» و«مستوى التطعيم» وراقب الشبكة ومخطط النطاقات ومنحنى n وp؛ اضغط «سجّل» لإضافة صف. في «الوصلة p–n» اضغط «صِل p مع n» ثم حرّك «جهد الانحياز V» بين الانحياز العكسي والأمامي، واقرأ عرض طبقة النضوب والحاجز والتيار.

المعاملات القابلة للتغيير

• الشاشة نطاقات الطاقة, تطعيم السيليكون, الوصلة p–n
• درجة الحرارة T 200–600 K
• الشائبة بلا شوائب (نقي), فوسفور (النوع n), بورون (النوع p)
• مستوى التطعيم (لوغاريتم عدد الذرات في كل سنتيمتر مكعب) 13–18
• جهد الانحياز V (موجب: انحياز أمامي) -5–0.7 V

أسئلة للاستكشاف

1. لماذا تنخفض مقاومية السيليكون كثيرًا عند تسخينه بينما تزداد مقاومية النحاس؟
2. لماذا تؤدي إضافة مزيد من الفوسفور إلى السيليكون إلى نقص عدد الثقوب؟
3. لماذا يوسّع الانحياز العكسي طبقة النضوب ولا يكاد يسمح بمرور تيار؟